Sustainable synthesis of Na2FeSiO4 using rice husk-derived silica: effect of calcination temperature on phase formation and electrical properties

Le batterie che alimentano i nostri telefoni e le nostre auto si basano su un principio semplice ma esigente: gli ioni, ovvero minuscoli atomi carichi, devono essere in grado di muoversi liberamente avanti e indietro tra due elettrodi. Nella prossima generazione di questi dispositivi, gli scienziati stanno puntando alle batterie al sodio per offrire un'alternativa più economica e abbondante rispetto alle batterie agli ioni di litio che dominano il mercato oggi. Affinché queste batterie funzionino bene, il materiale al loro interno deve essere una struttura robusta in grado di contenere gli ioni di sodio senza sfaldarsi, permettendo al contempo alla elettricità di fluire facilmente attraverso di esso. Un candidato promettente per questo ruolo è un composto chiamato ortosilicato di ferro e sodio. È composto da silicio, ferro, sodio e ossigeno disposti in una specifica struttura tridimensionale. Tuttavia, la produzione di questo materiale ha tradizionalmente richiesto ingredienti chimici costosi e processi ad alto consumo energetico, il che ne limita l'ampio utilizzo.

Un team di ricercatori dell'Università di Lampung, in Indonesia, ha trovato un modo per produrre questo materiale utilizzando un comune prodotto di scarto agricolo: la crusca di riso. La crusca di riso è il guscio esterno duro dei chicchi di riso, solitamente scartato dopo la raffinazione. Questi gusci sono ricchi di silice, lo stesso materiale presente nella sabbia e nel vetro. I ricercatori si sono chiesti se fosse possibile trasformare questo scarto in un precursore di alta qualità per il materiale della batteria e, in caso affermativo, come il trattamento termico utilizzato per creare il prodotto finale ne avrebbe modificato le proprietà. Hanno sintetizzato il materiale utilizzando un metodo che mescola la silice della crusca di riso con altri prodotti chimici per formare un gel, che viene poi essiccato e riscaldato. Riscaldando il materiale a diverse temperature, compresi i 500 e gli 800 gradi Celsius, hanno osservato come cambiava la struttura interna del materiale e quanto bene conduceva l'elettricità.

Lo studio è iniziato estraendo silice pura dalla crusca di riso. I ricercatori hanno fatto bollire i gusci in una forte soluzione alcalina per sciogliere la silice, poi hanno aggiunto acido per farla solidificare in un gel. Dopo aver essiccato e macinato questo gel in una polvere fine, lo hanno mescolato con idrossido di sodio, nitrato di ferro e acido citrico. Questa miscela è stata riscaldata per far evaporare l'acqua, lasciando dietro di sé un precursore solido. Questo precursore è stato poi inserito in un forno ed è stato riscaldato per dieci ore a quattro diverse temperature: 500, 600, 700 e 800 gradi Celsius. L'obiettivo era vedere come il calore trasformasse la miscela disordinata nella struttura cristallina ordinata necessaria per un catodo di una batteria.

Quando i ricercatori hanno esaminato i campioni, hanno scoperto che il desiderato ortosilicato di ferro e sodio si era formato con successo a tutte le temperature, ma la qualità dei cristalli migliorava all'aumentare del calore. Alla temperatura più bassa di 500 gradi Celsius, il materiale conteneva gli ingredienti giusti ma era in parte disordinato, con molti piccoli vuoti e forme irregolari. Salendo verso gli 800 gradi Celsius, gli atomi si sono riorganizzati in un reticolo cristallino molto più stretto e perfetto. Le particelle sono diventate più compatte e la struttura interna è diventata più uniforme. Questo processo ha anche causato la perdita delle molecole d'acqua che erano attaccate alla sua superficie, un cambiamento che ha confermato come il calore stesse eliminando le impurità e permettendo la crescita del cristallo.

Insieme a questi cambiamenti strutturali, le proprietà elettriche del materiale sono cambiate in modo sorprendente. I ricercatori hanno misurato la facilità con cui l'elettricità può passare attraverso il materiale e hanno scoperto che il campione riscaldato a 500 gradi Celsius conduceva l'elettricità meglio dei campioni riscaldati a temperature più elevate. Il campione con la cristallizzazione più elevata, riscaldato a 800 gradi, era in realtà il peggiore conduttore. Ciò sembra controintuitivo, poiché ci si potrebbe aspettare che un cristallo più perfetto conduca meglio l'elettricità. Tuttavia, i ricercatori hanno spiegato che il campione a temperatura inferiore conteneva ancora molte imperfezioni strutturali e una disposizione meno densa di particelle. Queste imperfezioni creavano percorsi che aiutavano la carica a muoversi attraverso il materiale. Al contrario, il campione ad alta temperatura aveva una struttura più perfetta, ma questa perfezione comportava un divario energetico più ampio tra i suoi stati elettronici, rendendo più difficile il flusso di elettricità.

Lo studio ha anche esaminato l'energia necessaria per eccitare gli elettroni all'interno del materiale, nota come band gap ottico. Questo valore è aumentato costantemente al crescere della temperatura, passando da 2,38 elettronvolt a 500 gradi a 2,87 elettronvolt a 800 gradi. Questo aumento si allinea con il compattamento strutturale osservato nei cristalli. I ricercatori hanno notato che, sebbene i campioni ad alta temperatura fossero strutturalmente più perfetti, erano meno efficaci nel condurre elettricità. Il miglior equilibrio per la conducibilità elettrica è stato trovato alla temperatura più bassa, dove il materiale era ancora in parte disordinato. Ciò suggerisce che, per questo specifico materiale, un po' di imperfezione strutturale può essere effettivamente benefica per il movimento della carica.

In definitiva, la ricerca dimostra che la crusca di riso è una fonte vitale e sostenibile per la produzione di ortosilicato di ferro e sodio. Utilizzando questo scarto agricolo, il processo evita gli alti costi e l'impatto ambientale dei tradizionali precursori chimici. Lo studio mostra che, sebbene le temperature più elevate creino una struttura cristallina più ordinata, esse non migliorano necessariamente le prestazioni elettriche necessarie per una batteria. Invece, le proprietà ottimali dipendono da un attento equilibrio tra l'ordine cristallino e la presenza di caratteristiche strutturali che favoriscono il trasporto di carica. Questo lavoro fornisce una via chiara per trasformare un comune prodotto di scarto in un componente funzionale per la futura conservazione dell'energia, dimostrando che sostenibilità e prestazioni possono andare di pari passo nella scienza dei materiali.